Grundwasseranreicherungsanlagen im Hessischen Ried

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Grundwasseranreicherungsanlagen im Hessischen Ried
Technik
Grundwasseranreicherungsanlagen
im Hessischen Ried
Versickerung n Im Zustrom der im Hessischen Ried vorhandenen Verbundwasserwerke
werden unterschiedliche Anlagen zur künstlichen Grundwasseranreicherung betrieben.
Mit der Versickerung von zu Trinkwasser aufbereitetem Oberflächenwasser werden die öko logischen Standortverhältnisse verbessert, der gute Mengenzustand gesichert, die klimatisch
bedingten Grundwasserspiegelschwankungen in Trockenperioden begrenzt und die Trinkwasserversorgung für die Metropolregion Rhein-Main langfristig gesichert.
ls Hessisches Ried wird der
nördliche Teil des Oberrheingrabens zwischen Frankfurt/
Main im Norden und Mannheim im
Süden bezeichnet. Der ergiebige Grundwasserleiter des Hessischen Rieds hat
eine große Bedeutung als Ressource für
die Wasserversorgung des Ballungsraumes und der intensiven landwirtschaftlichen Beregnung. Zur Sicherstellung der Trinkwasserversorgung von
zwei Millionen Einwohnern in der
Metropolregion Rhein-Main werden
seit 1989 im Zustrom der Gewinnungsanlagen der verbundwirksamen Wasser-
A
werke (WW) der Hessenwasser GmbH
& Co. KG und des Wasserverbandes
Riedgruppe Ost mehrere Anlagen zur
künstlichen Grundwasseranreicherung
durch den Wasserverband Hessisches
Ried betrieben.
Die wasserwirtschaftliche Bedeutung
des Hessischen Rieds beruht auf Sanden
und Kiesen des Pleistozäns, deren
Mächtigkeit von Norden nach Süden
ansteigt. Hydrogeologisch und grundwasserhydraulisch herrscht eine großräumig nach Westen zum Vorfluter
Rhein gerichtete Grundwasserfließ-
richtung vor, die lokal durch die Absenkungstrichter der Wasserwerke abgelenkt wird [1].
Das Hessische Ried weist eine mittlere
Jahresniederschlagsmenge von 653 mm
auf. Der Gesamtniederschlag verteilt
sich zu ca. 56 % auf das hydrologische
Sommerhalbjahr und rd. 44 % auf das
hydrologische Winterhalbjahr. Bei
einer Höhenlage von ca. 100 m über NN
und einer mittleren Jahrestemperatur
von ca. 9,5 °C kommt es in den Sommermonaten aufgrund hoher potenzieller
Verdunstung im langjährigen Mittel zu
Abb. 1 1989 wurden im Hessischen Ried
neun Sickerschlitzgräben errichtet.
Quelle: Hessenwasser GmbH & Co. KG/Regierungspräsidium Darmstadt
OK Gelände
Steuerschacht
Zulaufleitung
4-6 m
Filtersand
1.00 m
1
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Brunnenbau
einer negativen klimatischen Wasserbilanz [2]. In Trockenjahren beträgt die
Grundwasserneubildung nur wenige
mm/a, unter verdunstungsintensiven
Flächen kommt sie vollständig zum
Erliegen. In Nassjahren kann sie dagegen
auf mehrere 100 mm/a ansteigen.
Konkurrierende Interessen der Wasserwirtschaft, Landwirtschaft, Naturschutz,
Forst und Infrastruktur auf engstem
Raum stellen somit erhebliche Anfor derungen an eine großräumige Aquiferbewirtschaftung.
Wasserverband Hessisches Ried
Der 1979 gegründete Wasserverband
Hessisches Ried (WHR) ist eine Körper schaft des öffentlichen Rechts und hat
die Aufgabe, die landwirtschaftliche
Beregnung im Hessischen Ried und
die Grundwasseranreicherung im Einzugsgebiet seiner Grundwasserförderanlagen und im Einzugsgebiet der
Grundwasserförderung seiner Mitglieder sicherzustellen. Der Verband
leistet somit einen wesentlichen Beitrag
zur nachhaltigen Sicherstellung der
öffentlichen Trinkwasserversorgung
durch die Erhöhung des langfristig nutzbaren Grundwasserdargebots. Mit seinen Infiltrationsanlagen stabilisiert der
Verband die Grundwasserstände und
schafft somit die Voraussetzungen für
geordnete ökologische Verhältnisse im
Einflussbereich seiner Mitglieder. Die
dem Verband als Mitglieder angehörenden Wasserversorger haben in den zurückliegenden Jahren in Abhängigkeit
von den Infiltrationsmengen jährliche
Infiltrationskosten zwischen 4,7 bis
5,8 Mio. € getragen.
Rheinwasseraufbereitung
Das Rheinwasseraufbereitungswerk
hat eine zentrale Rolle bei der Bewirtschaftung des Grundwasserleiters. Im
Wasserwerk wird Oberflächenwasser
über mehrere Verfahrensstufen zu Trinkwasser aufbereitet. Die Aufbereitungsschritte umfassen eine mechanische
Reinigungsstufe, Vorozonung, Primärflockung, Sedimentation (Absetzbecken), Hauptozonung, Sekundärflockung, Mehrschichtfiltration und
Aktivkohlefiltration. Diese Verfahrenskombination integriert physikalische,
chemische und mikrobiologische Aufbereitungsverfahren, die im Prozess
mehrfach vorhanden und aufeinander
abgestimmt sind. Dieses sog. technische
Multi-Barrieren-System bietet Mehrfachbarrieren zur Rückhaltung oder
Entfernung von Gewässerverunreini-
gungen mit verschiedenen physikalisch-chemischen Eigenschaften. Un berücksichtigt bleiben mikrobiologische
Anforderungen, da eine Desinfektion
des Wassers vor der Grundwasser anreicherung – im Falle einer Grenzwertüberschreitung – vermieden werden
soll. Die Kapazität des Wasserwerkes
liegt bei 43 Mio. m³/a. Davon stehen
38 Mio. m³/a für die Infiltration und
5 Mio. m³/a für die landwirtschaftliche
Beregnung zur Verfügung.
Das technische Konzept sieht den Vor rang der landwirtschaftlichen Beregung
durch aufbereitetes Rheinwasser auf
einer Fläche von 6.000 Hektar vor. Die
benötigten Wassermengen unterliegen
dem Witterungsgeschehen und beeinflussen maßgeblich die Infiltrations mengen in den Monaten März bis September. Außerhalb der Anbauperiode
werden die aufbereiteten Mengen den
Infiltrationsorganen zugeführt. In Nassperioden kann die Infiltration konzeptionell vollständig ruhen.
Die Grundwasseranreicherung ist der
zentrale Bestandteil bei der Grundwasserbewirtschaftung im Hessischen
Ried. Die Anreicherung über drei
Anlagenstandorte dient der Begren-
Abb. 2 Die Infiltration über Bohrlöcher bedeutet
einen nur geringen Eingriff in das Landschaftsbild.
Schachtabdeckung
OK Gelände
e
Schachtringe Ø 2,20 m
Verbundrohr DN 150
6,0 – 9,0 m
Filtersand
Fundament 4,5 x 4,5 m
mit Öffnung Ø 1,5 m
Quelle: Hessenwasser GmbH & Co. KG
Filterkies 2,0/3,15
1,5 Ø
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2
Technik
zung klimatisch bedingter Schwankungen der Grundwasserstände v. a. in
Trockenperioden, der Verbesserung
ökologischer Verhältnisse durch dauerhafte Anhebung des Grundwasserstandsniveaus und der Sicherstellung
der Trinkwasserversorgung.
um den Infiltrationsbeitrag reduziert.
Als bilanziell grundwasserstandswirksames Maß der Entnahmemenge der
Wasserwerke wird daher die Nettoentnahmemenge angegeben (Bruttoentnahmemenge der Wasserwerke abzüglich des Infiltrationsanteils).
Das Infiltrationsmengenkonzept beruht
darauf, dass in Zuordnung der Brunnen
der Wasserwerke die Infiltration so
vorgenommen wird, dass die Grundwasserstandsziele des Grundwasser bewirtschaftungsplanes erreicht und das
natürliche Grundwasserdargebot im
direkten Entnahmebereich der Förderbrunnen vergrößert wird. Damit wird
gewährleistet, dass sich die tatsächliche
Entnahmemenge (Bruttoentnahme
durch die Brunnen der Wasserwerke)
Infiltrationsorgane
Die Versickerung des aufbereiteten
Rheinwassers im zentralen Hessischen
Ried erfolgt drucklos in die ungesättigte
Bodenzone über verschiedenartig ausgebaute Anlagen. In Abhängigkeit von
den vorherrschenden geologischen,
hydrogeologischen und grundwasserhydraulischen Randbedingungen sowie der möglichen Inanspruchnahme
von Flächen werden verschiedene Infiltrationsorgane eingesetzt.
Organ
Erstmalig wurden in 1978 verschiedene Infiltrationsorgane (Sickerbecken,
Sickerschlitzgräben, Schluckbrunnen)
auf ihre Leistungsfähigkeit am WW
Eschollbrücken getestet. Als optimale
Lösung wurde der Sickerschlitzgraben
empfohlen. Im Oktober 1989 wurden
neun Sickerschlitzgräben in Betrieb
genommen. Die Sickerschlitzgräben
haben eine Länge von 100 m (Ausnahme
SSG 9 mit 40 m), eine Tiefe von 6 m, eine
Breite von 1 m, sind mit Grobsand verfüllt und für eine Versickerungsleistung
von 2.000 m³/Tag konzipiert (Abb. 1).
Ausgehend von den Erfahrungen mit
der Infiltrationsanlage Eschollbrücken,
wurde für den Gernsheimer Wald eine
Infiltrationsanlage konzipiert, die als
flächensparende Alternative zu den
Länge x Breite
m
DN
mm
Tiefe
m
Infiltration
Ø m3/d
Grundwasserflurabstand im Umfeld
m
100 x 1
–
6
1.000 - 4.500
7,5 - 10
Kiesbohrlochgruppe
(5er-Gruppe)
–
1.500
9
1.400 - 3.000
3-4
Schluckbrunnen
–
600
26
850 - 1.600
9 - 12
1.000 x 2-4
–
4
2.400 - 6.500
unterschiedlich
(beeinflusst durch Tiefenlage)
Sickerschlitz
Graben
Tab. 1 Mittlere Versickerungsleistung der Infiltrationsorgane
Bereich
(Mengen in m3)
Eschollbrücken/
Pfungstadt
Gernsheimer Wald
Jägersburger/
Lorscher Wald
Summe
Grundinfiltration
2.500.000 | 1.000.000
6.300.000
4.500.000 | 2.000.000
16.300.00
Infiltration für Trockenperioden
2.000.000
2.000.000
2.100.000
6.100.000
Infiltration für Mehrförderung
7.500.000
5.000.000
4.700.000
17.200.000
13.000.000
13.300.000
13.300.000
39.600.000
Summe Ökologie
5.500.000
8.300.000
8.600.000
22.400.000
Anteil Ökologie %
42
62
65
57
Summe Infiltration
Tab. 2 Mengenkonzeption Infiltration gemäß stationärer und instationärer Modellrechnungen in Mio. m³/a
(kursiv: Anlagen im Bau bzw. beantragter Anlagenausbau)
Wasserwerk/
Infiltrationsanlage
Entnahmebrunnen
Entnahme
Infiltration
Anzahl
Infiltrationsorgane
Anzahl
Mio. m3
Mio. m3
Entnahme/
Infiltration
Verhältnis
Eschollbrücken
20
14
12,52
1,98
6,3 : 1
Allmendfeld
15
117
14,59
8,67
1,7 : 1
Jägersburg
13
65
12,20
6,58
1,9 : 1
Gesamt
48
196
39,31
17,23
2,3 : 1
Tab. 3 Mengenverhältnis Verbundwasserwerke: Gewinnung und Infiltration in 2009
3
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Brunnenbau
Sickerschlitzgräben aus sieben großkalibrigen Einzelbohrungen besteht
(Abb. 2). Die Dimensionierung der
linienhaft angeordneten großkalibrigen
Einzelbohrungen entspricht der rechnerischen Leistungsfähigkeit eines Sickerschlitzgrabens in Eschollbrücken.
Mit der aufgelösten Bauform aus großkalibrigen Einzelbohrungen konnte
der landschaftliche Einfluss minimiert
und bei der Umsetzung der Anlage
flexibel auf den vorhandenen Baumbestand reagiert werden. Jede Bohrung
hat einen Durchmesser von 1,5 m, eine
Tiefe von 6 m und ist mit Filterkies
aufgefüllt. Als Gegenfilter dient eine
oberflächig aufgebrachte, austauschbare Sandauflage. Die Filterkieskörnung
wurde dem Anstehenden entsprechend
ausgewählt.
Zur Optimierung der Bauform und
Bemessung der Leistungsfähigkeit
wurden nach Auswertung der Kernbohrungen Grundwassermodellrechnungen zur Ableitung der Anordnung
der Einzelbohrungen zueinander und
der räumlichen Lage der Organe zu den
Entnahmebrunnen durchgeführt. Ziel
war es, eine gleichmäßige Belastung
aller großkalibrigen Einzelbohrungen,
d. h. einen gleichmäßigen Aufstau in
den großkalibrigen Einzelbohrungen
bei möglichst gleichmäßig verteilten
Infiltrationsmengen zu erreichen. Die
Vergleichbarkeit der Leistung einer Kiesbohrlochgruppe (7 Bohrungen, 1,5 m
Durchmesser, 6 m Tiefe) mit der eines
Sickerschlitzgrabens wurde im Gernsheimer Wald in einem einjährigen InSitu-Versuch bestätigt. Nach Abschluss
des Versuchs wurden alle Kiesbohrlöcher bis zu ihrer Endteufe von i. d. R.
6 m mit Greiferbohrungen niedergebracht und 1996 in Betrieb genommen. Die gleiche Herangehensweise
wurde für die in Betrieb befindliche
Anlage im Jägersburger Wald und die
im Bau befindliche Anlage Lorscher
Wald gewählt.
Im Jägersburger Wald wurden zwischen
Oktober 1998 und Januar 1999 suk zessive 12 Kiesbohrlochgruppen in Betrieb genommen. Die Kiesbohrlochgruppen bestehen zur weiteren Ein griffsminimierung in die Waldbestände
aus fünf Einzelbohrungen, die über eine
Strecke von rd. 80 m in Linie angeordnet
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sind. Die Bohrungen wurden wie im
Gernsheimer Wald mit einem Durchmesser von 1,5 m, aber mit einer größeren Tiefe von 9 m ausgebaut.
Zusätzlich werden seit 1993 im Gernsheimer Wald vier ehemalige Entwässe rungsgräben über eine Länge von
mehreren 100 m zur Versickerung ge nutzt. Im Jägersburger Wald wurde 1996
mit der Einleitung von aufbereitetem
Rheinwasser in den Waldgraben GroßRohrheim begonnen. Ein Jahr später
folgte die Infiltration über den Grenzgraben Biblis. Bei allen Gräben handelt
es sich um ehemalige Entwässerungsgräben, im Mittel mit einer Länge von
1.000 m, einer Breite von 1 m und einer
Tiefe von 4 m, deren Grabensohle profiliert wurde. Das Infiltrationswasser
wird zur gleichmäßigen Verteilung über
mehrere Auslässe an der Grabensohle
eingeleitet (Abb. 3). Nach den Erfahrungen aus dem Infiltrationsbetrieb im
Hessischen Ried können folgende Leistungsverhältnisse der unterschiedlich
ausgebauten Infiltrationsanlage näherungsweise wie in Tabelle 1 angeführt
angenommen werden.
Die Infiltrationsmengensteuerung ba siert auf drei Säulen: einer Grundinfiltration zur Anhebung bzw. Sicherung
des Grundwasserstandsniveaus (gemäß
EG-Wasserrahmenrichtlinie), einer zeit weiligen Mehrinfiltration in Trockenperioden zur Sicherung der unteren
Grenzgrundwasserstände und einer Zusatzinfiltration für eine weitgehend
grundwasserstandsneutrale Mehrförderung, wie es in Tabelle 2 dargestellt
ist. Im direkten Einzugsgebiet der verbundwirksamen Großwasserwerke
im Hessischen Ried werden die in Tabelle 3 vorhandenen Einzelorgane
betrieben.
Infiltrationssteuerung
Die Grundwasserstände im Hessischen
Ried werden maßgeblich von den
klimatischen Ausprägungen bestimmt.
In den zurückliegenden Jahrzehnten
betrug die klimatische Schwankungs größe der Grundwasserstände ca. 2 bis
3 m. Mit den Infiltrationsanlagen be steht die Möglichkeit, die natürliche
Schwankungs breite nach unten in
Richtung tiefer Grundwasserstände auf
maximal 2 m zu limitieren.
Die Steuerung der Infiltration basiert auf
einem wasserrechtlich verbindlichen
Betriebsreglement mit konkretisierten
Ab- und Wiederanschaltwerten zur Vermeidung infiltrationsbedingter Vernässungsschäden von landwirtschaftlichen Flächen und Siedlungsgebieten,
unter Beachtung der Vorgaben des
Grundwasserbewirtschaftungsplans
Hessisches Ried [2]. Die Steuerung der
Grundwasserstände kann daher nicht
isoliert auf einen Wert ausgerichtet
werden, sondern umfasst die wasserrechtlich zulässige Steuerungsspannbreite zwischen unterem Grenzgrundwasserstand und Abschaltwert.
Seit Inbetriebnahme des Rheinwasseraufbereitungswerkes in Biebesheim im
Jahre 1989 ist im großen Umfang
Grundwasser durch aufbereitetes Oberflächenwasser für die landwirtschaftliche
Beregnung und durch die Infiltration im
Vorfeld der infiltrationsgestützten
Wasserwerke substituiert worden. Da
die Infiltration nicht vollständig durch
Mehrförderung der Wasserwerke kompensiert wird, resultiert hieraus ein
Grundwasserspiegelanstieg im unmittelbaren Bereich der Infiltrationsanlage in
einer Größenordnung von 1 bis 1,5 m
(Abb. 4). Die Darstellung der räumlichen
Ausdehnung des Infiltrationseinflusses
bei mittleren klimatischen Verhältnissen
(Rahmenbedingungen 1996) erfolgt
durch stationäre Modellrechnungen.
Der Einflussbereich der Infiltration ist
in Abhängigkeit von der an die Grundwasserstände angepassten Infiltrationsmenge zeitlich variabel. In Zeiten hoher
Grundwasserstände mit gedrosselter
Infiltration ist der Einflussbereich
kleiner, als in Zeiten niedriger Grundwasserstände und gesteigerter Infiltration. Bei Eintreten einer Nassperiode
und mit Erreichen eines definierten Abschaltwertes wird die Infiltration vollständig eingestellt, damit die ohnehin
vorhandene witterungsbedingte Vernässungsgefahr nicht durch die Infiltration verstärkt wird.
Zeitgleich mit dem Start der Infiltrationsmaßnahmen verringerte sich sowohl der Trinkwasserbedarf in der
Metropolregion Rhein-Main-Neckar als
auch die Entnahme aus Industriebrunnen. Der seitherige Grundwasserspiegelanstieg wird daher maßgeblich
4
Technik
Quelle: Hessenwasser GmbH & Co. KG
ein technisch hochkomplexes Förder- und Infiltrationsregime betrieben
werden muss.
Quelle: Brandt Gerdes Sitzmann Umweltplanung GmbH
Abb. 3 Infiltrationsgraben im Hessischen Ried
Legende:
Grundwassermodell der
Wasserwerke – zentraler Bereich
Aufhöhung [m]
0.25 – 0.50
0.50 – 1.00
1.00 – 1.50
1.50 – 2.00
2.00 – 3.00
3.00 – 5.00
5.00 – 7.00
Abb. 4 Stationäre Berechnung der flächenhaften Aufspiegelungen unter mittleren
Bedingungen im Hessischen Ried [3]
Die große Anzahl der Infiltrationsanlagen im Vorfeld der Gewinnungsanlagen führt zu einem erheblichen
Aufwand im Betrieb, für die Instandhaltung und Steuerung dieser Anlagen. Der großflächige Aufspiegelungsbereich in Verbindung mit den vorgegebenen behördlichen Auflagen bedarf
einer übergreifenden Grundwasser bewirtschaftung mit vorausschauender
und aufeinander abgestimmter Steuerung der Entnahme- und Infiltrationsanlagen. Nur damit wird gewährleistet,
dass die behördlichen Auflagen eingehalten und Vernässungs- und Trockenschäden verhindert werden können.
Unter mittleren klimatischen Verhältnissen wird fast jeder zweite gewonnene
m3 im Hessischen Ried doppelt aufbereitet.
Infiltrationsanlagen sind wie alle technischen Bauwerke Alterungsprozessen
unterworfen. Die Leistungsfähigkeit
der Organe kann neben den hydraulischen und prozessualen Komponenten
durch physikalische, chemische und
mikrobiologische Reaktionen und Prozesse maßgeblich beeinflusst werden. Die Kolmation (Verringerung der
Durchlässigkeit des Bodengerüsts) wird
von der Beschaffenheit des Infiltrats,
dessen Transport zum Organ und den
mechanischen Eigenschaften von eingeschwemmten Partikeln beeinflusst
und ist nur teilweise steuer- oder abstellbar. Die damit verbundenen Auswirkungen und die im direkten Zusammenhang stehenden Regenerierungsund Optimierungsverfahren werden in
einem weiteren Artikel beschrieben.
Literatur
von beiden Faktoren verstärkt. Aufspiegelungen durch die Infiltration und
Aufhöhungsbereiche durch reduzierte
Entnahmen sind aber nur teilweise
deckungsgleich. Die Differenzierung der
bestimmenden Einflussgrößen erfolgte
mittels stationärer Modellrechnungen.
Im Mittel erhöhte sich der Grundwasserspiegel durch Entnahme ver ringerung und Infiltration um 2 bis über
3 m gegenüber dem Vergleichszustand
Oktober 1985.
5
Zusammenfassung und Ausblick
Der Wasserverband Hessisches Ried
trägt durch seine seit 1989 im Hessi schen Ried betriebenen Infiltrationsanlagen zur langfristigen und nachhaltigen Sicherung der Trinkwasserversorgung in der Metropolregion
Rhein-Main bei. Der 1999 in Kraft
ge tretene Grundwasser bewirtschaftungsplan im Hessischen Ried hat
zur Folge, dass durch die behördlich
festgeschriebenen Grundwasserstände
[1] Brandt Gerdes Sitzmann Umweltplanung
GmbH (2002): Dokumentation des Grundwassermodells der Wasserwerke im Hessischen Ried,
im Auftrag der Arbeitsgruppe der Wasserwerke.
Unveröffentlichtes Gutachten, Darmstadt.
[2] Regierungspräsidium Darmstadt (1999):
Grundwasserbewirtschaftungsplan Hessisches
Ried, Darmstadt.
[3] Brandt Gerdes Sitzmann Umweltplanung
GmbH (2002): Modellrechnungen zum Einflussbereich der Infiltrationsmaßnahme.
Unveröffentlichtes Gutachten, Darmstadt.
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Brunnenbau
Autoren:
Dipl.-Ing. Lilo Weber
Dr. Hermann Mikat
Hessenwasser GmbH & Co. KG
Geschäftsbereichsleiter Wasserwirtschaft
und Informationstechnologie
Taunusstr. 100
64521 Groß-Gerau/Dornheim
Tel.: 069 25490-3200
Fax: 069 25490-7009
E-Mail: [email protected]
[email protected]
www.hessenwasser.de
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